DE202005021399U1

DE202005021399U1 - Device for detecting defects on a component of a turbine

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Publication number: DE202005021399U1
Application number: DE202005021399U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2015-12-31

Abstract

Mess- und Auswerteeinrichtung (16) zum Ermitteln von Defekten an einem Bauelement (10, 12) einer Turbine, mit einem in Phased Array Technik verwendeten Gruppenstrahlerprüfkopf (18) zum Senden und Empfangen von mindestens einem Ultraschallsignal an einem zu untersuchenden Flächenbereich des Bauelements (10, 12), dadurch gekennzeichnet, dass der Gruppenstrahlerprüfkopf (18) in mehrere linear direkt hintereinander angeordneten virtuelle Prüfkopfe (20, 22, 24) unterteilt ist und eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit der mit mindestens zwei der virtuellen Prüfköpfe (20, 22, 24) jeweils mindestens ein Ultraschallsignal auf einen einzelnen zu untersuchenden Flachenbereich gerichtet gesendet und empfangen werden kann.measurement and evaluation device (16) for detecting defects on a Component (10, 12) of a turbine, with a phased array technique used phased array probe (18) for transmitting and receiving at least one ultrasonic signal at a surface to be examined of the component (10, 12), characterized in that the phased array probe (18) into a plurality of virtual test heads arranged linearly one behind the other (20, 22, 24) is divided and a control device is provided, at least with at least two of the virtual probes (20, 22, 24) an ultrasonic signal on a single surface area to be examined directed can be sent and received.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mess- und Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Defekten an einem Bauelement einer Turbine, mit einem Gruppenstrahlerprüfkopf zum Senden und Empfangen von mindestens einem Ultraschallsignal an einem zu untersuchenden Flachenbereich des Bauelements.The The invention relates to a measuring and evaluation device for determining of defects on a component of a turbine, with a phased array probe for Transmitting and receiving at least one ultrasonic signal at one area of the device to be examined.

Zur Ermittelung von Defekten an einem Bauelement einer Turbine, wie beispielsweise einer Turbinenschaufel, ist es grundsätzlich bekannt, eine Ultraschalluntersuchung durchzuführen. Solche Untersuchungen sind aufgrund der bei solchen Bauelementen vorliegenden Geometrien jedoch nur sehr begrenzt möglich und auch vergleichsweise fehlerträchtig.to Detecting defects on a turbine component, such as For example, a turbine blade, it is generally known to carry out an ultrasound examination. Such investigations are due to the geometries present in such devices but only very limited possible and also comparatively error prone.

So ist beispielsweise derzeit eine entsprechende Prüfung von Befestigungsbohrungen von Steckfüßen an Turbinenschaufeln nur nach Ausbau der Schaufeln möglich.So For example, is currently a corresponding test of mounting holes from feet to turbine blades only possible after removing the blades.

Durch den Einsatz der Gruppenstrahlertechnik (Phased Array Technique) kann an dem zu untersuchenden Flachenbereich ein Fehler ohne Manipulation des Prüfkopfes durch eine bildgebende Darstellung angezeigt werden. Dies stellt bereits eine Verbesserung dar, denn es kann insbesondere ein zeitintensiver und daher kostspieliger Aus- und Einbau von Turbinenschaufeln entfallen. Mittels der Gruppenstrahlertechnik kann nämlich die Richtung des abgestrahlten Ultraschalls bzw. die Richtung, aus der der Ultraschall empfangen werden kann, verändert werden.By the use of phased array technology may be an error without manipulation at the surface area to be examined of the test head be displayed by an imaging display. This poses already an improvement, because it can be particularly time-consuming and therefore expensive removal and installation of turbine blades omitted. By means of the phased array technique, namely, the direction of the radiated Ultrasound or the direction from which the ultrasound is received can be changed become.

Durch die Gruppenstrahlertechnik ist es z.B. möglich, sichere und schnelle Analysen in einem Fehlererwartungsbereich von Turbinenschaufelfüßen durchzuführen. Dabei können insbesondere Risse erkannt werden, welche als Ermüdungs- bzw. Schwingungsrisse durch hohe mechanische, thermische oder korrosive Belastung entstehen.By the phased array technique is e.g. possible, safe and fast Carry out analyzes in a fault expectancy range of turbine blade feet. there can In particular, cracks are recognized, which are fatigue or vibration cracks caused by high mechanical, thermal or corrosive load.

Erfindungsgemäß wird nun diese Gruppenstrahlertechnik dahingehend verbessert, dass der Gruppenstrahlerprüfkopf in mehrere virtuelle Prüfkopfe unterteilt und dann mindestens ein Ultraschallsignal mit mindestens zwei der virtuellen Prüfkopfe gerichtet auf einen einzelnen zu untersuchenden Flachenbereich gesendet wird. Die Echosignale aus dem zu untersuchen den Flachenbereich werden von den erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens zwei virtuellen Prüfköpfen empfangen. Dabei geht man vorteilhaft mit der Impuls-Echo Methode vor, denn mit dieser Technik können grundsätzlich Defekte besonders präzise ermittelt werden.According to the invention will now this group radiator technology improved so that the phased array in multiple virtual probes divided and then at least one ultrasonic signal with at least directed two of the virtual probes is sent to a single surface area to be examined. The echo signals to be examined from the area of area of the inventively provided received at least two virtual probes. It is advantageous with the impulse-echo method, because with this technique can in principle Defects very precise be determined.

Die erfindungsgemäße Mess- und Auswerteeinrichtung ist dazu mit einem Gruppenstrahlerprüfkopf versehen, der in mehrere virtuelle Prüfköpfe unterteilt ist, und es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, mit der mit mindestens zwei der virtuellen Prüfköpfe jeweils mindestens ein Ultraschallsignal auf den einzelnen zu untersuchenden Flächenbereich gerichtet gesendet und empfangen werden kann.The Measurement according to the invention and evaluation device is provided for this purpose with a phased array probe, which is divided into several virtual probes is, and it is provided a control device with which at least two of the virtual probes respectively at least one ultrasonic signal on the individual to be examined Area targeted can be sent and received.

Durch das Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen mit mehreren virtuellen Prüfköpfen wird der zu untersuchende Flächenbereich sozusagen aus mehreren Blickrichtungen betrachtet. Entsprechend ist auch das Ergebnis der Prüfung präziser und weniger fehlerträchtig.By sending and receiving ultrasound signals with multiple virtual Probes is the surface area to be examined viewed from several angles, so to speak. Corresponding is also the result of the exam more precise and less prone to error.

Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Gruppenstrahlerprüfkopf in drei virtuelle Prüfköpfe mit insbesondere jeweils zirka 24 Elementen unterteilt. Dazu kann beispielsweise von einem Prüfkopf mit insgesamt 64 Elementen ausgegangen werden, die dann schaltungstechnisch in drei separat anzusteuernde Prüfkopfe unterteilt sind.Especially Advantageously, the inventive group Strahler probe is in three virtual probes with in particular each divided about 24 elements. This can be done, for example, by a test head With a total of 64 elements are assumed, which then circuit technology in three separate heads to be controlled are divided.

Jeder der virtuellen Prüfkopfe wird vorteilhaft beispielsweise durch Programmierung des zugehörigen Ultraschallgeräts so angesteuert, dass mehrere Schüsse auf den zu überwachenden Flächenbereich aussenden kann. Bevorzugt werden beispielsweise 200 solcher Schüsse von jedem der virtuellen Prüfköpfe ausgesendet und entsprechend deren Echosignale empfangen. Die Aussendung der Schüsse erfolgt dabei vorteilhaft derart, dass die Schüsse bzw. die ausgesendeten Ultraschallsignale über den zu untersuchenden Flächenbereich schwenken bzw. schwingen. Dazu kann der Gruppenstrahlerkopf bevorzugt als Linear-Schwinger mit möglichst hoher Anzahl an Elementen und/oder einem auswechselbaren Keil gestaltet sein.Everyone the virtual probe is advantageously so controlled for example by programming the associated ultrasound device, that several shots to be monitored Send surface area can. For example, 200 such shots of sent out to each of the virtual probes and according to which echo signals are received. The sending of the shots takes place in an advantageous manner such that the shots or the emitted About ultrasonic signals the surface area to be examined swing or swing. For this purpose, the phased array head may be preferred as a linear oscillator with as possible designed high number of elements and / or a removable wedge be.

Die Position und/oder die Gestalt möglicher Defekte an dem Bauelement kann erfindungsgemäß vorteilhaft durch Kombination der Messergebnisse der mindestens zwei virtuellen Prüfköpfe an dem einzelnen zu untersuchenden Flächenbereich oder durch einen Vergleich mit einem Referenzmessergebnis erfolgen. Dabei kann insbesondere die Flächenausdehnung bzw. die Fehlergröße besonders genau ermittelt werden, weil in der Regel mindestens einer der Prüfschwenks die Kontur des zu ermittelnden Fehlers deutlich erfasst hat.The Position and / or the shape of possible defects on the component can advantageously according to the invention by combination the measurement results of the at least two virtual probes on the individual area to be examined or by comparison with a reference measurement result. In particular, the area extent or the error size is particularly accurate be determined because usually at least one of the Prüfschwenks has clearly detected the contour of the error to be detected.

Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen insbesondere die Orientierung eines Defekts an dem Bauelement durch einen Vergleich der Messergebnisse der mindestens zwei virtuellen Prüfköpfe an dem einzelnen zu untersuchenden Flächenbereich oder relativ zu einem Referenzmessergebnis ermittelt werden. Eine solche Abschätzung und Erkennung insbesondere der Orientierung von Rissen an dem zu untersuchenden Bauelement basiert auf dem Umstand, dass in der Regel eine der erfindungsgemäßen Schwenkläufe in den Riss hineinstrahlt, wahrend ande re Schwenkläufe gegebenenfalls im Wesentlichen quer zu dessen Ausrichtung über den Riss hinwegschwenken.Furthermore, with the procedure according to the invention, in particular the orientation of a defect on the component can be determined by a comparison of the measurement results of the at least two virtual probes on the individual surface area to be examined or relative to a reference measurement result. Such an estimation and recognition in particular of the orientation of cracks on the device to be examined based on the fact that usually one of the fiction proper Schwenkläufe radiates into the crack, while other pivoting Schwenkläufe if necessary, substantially transverse to its orientation over the crack away.

Für eine möglichst wirklichkeitsgetreue und durch entsprechende Auswerteeinrichtungen oder -personen besonders leicht durchzuführende Beurteilung der erfindungsgemäß ermittelten Prüfungsergebnisse, ist es besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Mess- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, in einem bildgebenden Verfahren eine flächenhafte Darstellung der Messergebnisse der mindestens zwei virtuellen Prüfköpfe zu erzeugen. Besonders bevorzugt wird dabei die Amplitudenhöhe des Echosignals farbcodiert angezeigt. Dies kann insbesondere in einem B-Scan erfolgen, mit dem eine flächenhafte Darstellung der Messergebnisse möglich ist.For as possible true to life and by appropriate evaluation or -persons particularly easy to carry out assessment of inventively determined Exam results, it is particularly advantageous if the measurement and evaluation is set up in an imaging Method a planar Representation of the measurement results of the at least two virtual probes to produce. In this case, the amplitude height of the echo signal is particularly preferably color-coded displayed. This can be done in particular in a B-scan, with the one planar Presentation of the measurement results possible is.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mess- und Auswerteeinrichtung zum Ermitteln solcher Defekte anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen naher erläutert. Es zeigt:following becomes an embodiment of a according to the invention and evaluation for determining such defects with reference to the accompanying schematic Drawings explained in more detail. It shows:

1 eine erste perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß geprüften Bauteils, 1 a first perspective view of an inventively tested component,

2 eine zweite perspektivische Ansicht des Bauteils gemäß 1, 2 a second perspective view of the component according to 1 .

3 drei Prinzipskizzen zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Mess- und Auswerteeinrichtung, 3 three schematic diagrams for explaining the structure of a measuring and evaluation device according to the invention,

4 eine graphische Darstellung der Messergebnisse einer Prüfung mit der Mess- und Auswerteeinrichtung gemäß 3 und 4 a graphical representation of the results of a test with the measuring and evaluation device according to 3 and

5 den dabei untersuchten Flachenbereich an einem Bauteil gemäß den 1 und 2. 5 the surface area investigated on a component according to the 1 and 2 ,

In 1 ist eine Turbinenschaufel 10 dargestellt, welche zum Anbringen an einer nicht dargestellten Turbinenwelle bzw. einer Radscheibe einer Turbine vorgesehen ist. Eine solche Turbinenschaufel 10 unterliegt im Betrieb der Turbine einer hohen thermischen und auch mechanischen Belastung.In 1 is a turbine blade 10 shown, which is provided for attachment to a turbine shaft, not shown, or a wheel disc of a turbine. Such a turbine blade 10 is subject to a high thermal and mechanical load during operation of the turbine.

Die Turbinenschaufel 10 weist einen als Steckfuß gestalteten Schaufelfuß 12 mit scheibenförmigen Stegen auf, durch die hindurch Befestigungsbohrungen 14 ausgebildet sind. Insbesondere an den Befestigungsbohrungen 14 kann es aufgrund der genannten Belastungen zu einer Rissbildung kommen.The turbine blade 10 has a blade foot designed as a foot 12 with disc-shaped webs, through which mounting holes 14 are formed. In particular at the mounting holes 14 It may come to cracking due to the above stresses.

Eine sichere Prüfung auf eine solche Schädigung der Turbinenschaufeln 10 ist derzeit nur im ausgebauten Zustand der Turbinenschaufeln 10 möglich. Eine Prüfung im eingebauten Zustand mittels Ultraschalltechnik ist nur begrenzt möglich und vergleichsweise fehleranfällig.A safe check for such damage to the turbine blades 10 is currently only in the disassembled state of the turbine blades 10 possible. An examination in the installed state by means of ultrasound technology is limited and relatively error-prone.

Um die Prüfung zu verbessern wird ein Gruppenstrahlerprüfkopf in Phased Array Technique verwendet und dieser Prüfkopf wird ortsfest an der Turbinenschaufel 10 und/oder der zugehörigen Welle angeordnet. Die Anordnung erfolgt derart, dass der zu untersuchenden Flachenbereich, wie er beispielsweise in 5 mit einem Kreis veranschaulicht ist, angestrahlt werden kann. Eine Manipulation des Prüfkopfes ist dabei nicht erforderlich.To improve the test, a Phased Array Technique phased array probe is used and this probe becomes stationary on the turbine blade 10 and / or the associated shaft. The arrangement is such that the surface area to be examined, as he, for example, in 5 illustrated with a circle, can be illuminated. A manipulation of the probe is not required.

Die dabei verwendete, in 3 skizzenhaft gezeigte Mess- und Auswerteeinrichtung 16 ist derart angepasst, dass ihr Gruppenstrahlerprüfkopf 18 in drei virtuelle Prüfkopfe 20, 22 und 24 unterteilt ist.The used, in 3 sketchy shown measuring and evaluation 16 is adapted so that its phaser probe 18 in three virtual probes 20 . 22 and 24 is divided.

Von diesen virtuellen Prüfköpfen 20, 22 und 24 umfasst ein erster die Elemente 10 bis 24 des insgesamt 64 Elemente umfassenden Gruppenstrahlerprüfkopfes 18. In entsprechender Weise umfasst der zweite virtuelle Prüfkopf 22 die Elemente 21 bis 44 und der dritte virtuelle Prüfkopf 24 die Elemente 41 bis 64 des Gruppenstrahlerprüfkopfes.From these virtual probes 20 . 22 and 24 a first includes the elements 10 to 24 of the total of 64 elements comprehensive Gruppenstrahlerprüfkopfes 18 , Likewise, the second virtual probe includes 22 the Elements 21 to 44 and the third virtual probe 24 the Elements 41 to 64 of the phased array probe.

Die einzelnen virtuellen Prüfköpfe 20, 22 und 24 werden mit 5 einer nicht naher dargestellten Steuereinrichtung derart angesteuert, dass mit ihnen jeweils einzelne Schusse, im vorliegenden Beispiel zirka 200, mittels eines Linear-Schwingers über den zu überprüfenden Flachenbereich als Schwenk gesendet und nachfolgend die Echosignale empfangen werden.The individual virtual probes 20 . 22 and 24 are controlled with 5 of a control device not shown in detail such that with each single shot, in the present example, about 200, sent by means of a linear oscillator over the area to be checked area as a swivel and subsequently the echo signals are received.

Die Echosignale aller Schüsse eines virtuellen Prüfkopfes werden dann in einem Bscan dargestellt und liefern ein bildgebendes Verfahren mit flächenhafter Darstellung. In der Darstellung werden die Echosignale hinsichtlich ihrer Amplitudenhöhe farbcodiert angezeigt. Diese Anzeige ist mit den in 4 abgebildeten Bscan-Graphiken mit entsprechend zugehörigen Ascan-Graphiken wiedergegeben. Für jeden virtuellen Prüfkopf wird eine eigene Bscan-Graphik dargestellt.The echo signals of all shots of a virtual test head are then displayed in a Bscan and provide a surface-imaging imaging process. In the illustration, the echo signals are displayed color coded with regard to their amplitude height. This ad is compatible with the in 4 reproduced Bscan graphics with corresponding Ascan graphics. For each virtual probe, a separate Bscan graphic is displayed.

Durch die verschiedenen virtuellen Prüfköpfe wird dadurch der Fehlererwartungsbereich (wie er beispielhaft in 5 mit einem Kreis markiert ist) aus verschiedenen Blickwinkeln angeschallt. Diese Anschallung aus verschiedenen Winkeln erlaubt es die Orientierung eines Fehlers bzw. Defektes zu ermitteln.As a result of the various virtual probes, the error expectancy range (as exemplified in FIG 5 marked with a circle) from different angles sounded. This sound from different angles makes it possible to determine the orientation of a fault or defect.

So ist beispielsweise an den drei Bscan-Graphiken der 4 zu erkennen, dass der dort mit einem Kreis markierte Riss-Defekt insbesondere in der Überprüfung mit dem zweiten und dem dritten virtuellen Prüfkopf 22 bzw. 24 deutlich erkannt wird, wohingegen er mit dem ersten virtuellen Prüfkopf unentdeckt geblieben ist. Dies lässt einen entsprechend besseren Rückschluss auf die Größe, genaue Form und insbesondere auch auf die Richtung des Riss-Defektes zu.For example, on the three Bscan graphics, the 4 to recognize that there marked with a circle crack defect especially in the review with the second and the third virtual probe 22 respectively. 24 it is clearly recognized where to go against him with the first virtual probe has remained undetected. This allows a correspondingly better conclusion on the size, exact shape and in particular on the direction of the crack defect.

Insgesamt wird auf diese Weise eine schnelle und zuverlässige Prüfung mit einer verbesserten Bestimmung der Fehlergröße, Fehlerposition und Fehlerorientierung insbesondere der oben genannten Bauelemente möglich.All in all This will be a quick and reliable test with an improved determination the error size, error position and error orientation, in particular the above-mentioned components possible.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Mess- und Auswerteeinrichtung auch bei vielen anderen Arten von Bauteilen gewinnbringend genutzt werden, bei denen bei herkömmlichen Ultraschallprüfungen mit Gruppenstrahlerprüfköpfen noch Probleme auftraten.Furthermore If the measuring and evaluation also in many other types of components be used profitably, in which at conventional ultrasound tests with phased array probes still Problems occurred.

Claims

Measuring and evaluation device ( 16 ) for detecting defects on a component ( 10 . 12 ) of a turbine, with a phased array technique used phased array probe ( 18 ) for transmitting and receiving at least one ultrasonic signal at a surface area of the component to be examined ( 10 . 12 ), characterized in that the phased array probe ( 18 ) in several linear directly behind each other arranged virtual test heads ( 20 . 22 . 24 ) and a control device is provided, with which at least two of the virtual probes ( 20 . 22 . 24 ) in each case at least one ultrasonic signal can be sent and received directed to a single surface area to be examined.

Measuring and evaluation device according to claim 1, characterized characterized in that the control device is adapted to the individual surface area to be examined a plurality of shots to judge.

Measuring and evaluation device according to claim 2 or 3, characterized in that the control device is adapted, by a combination of the measurement results of the at least two virtual probes ( 20 . 22 . 24 ) on the individual surface area to be examined the position and / or the shape of possible defects on the component ( 10 . 12 ).

Measuring and evaluation device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the control device is adapted to, by comparing the measurement results of the at least two virtual probes ( 20 . 22 . 24 ) at the individual surface area to be examined, the orientation of a defect on the component ( 10 . 12 ) to investigate.

Measuring and evaluation device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the phased array probe ( 18 ) has a linear oscillator.

Measuring and evaluation device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control device is adapted to, in an imaging process, a planar representation of the measurement results of the at least two virtual probes ( 20 . 22 . 24 ) to create.